王雨亭,王 淼,李元敬,施樹良,雷 虹,*,馮 磊*
(1.黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江省普通高校分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080;2.華南師范大學(xué)材料與新能源學(xué)院,廣東 汕尾 516600;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;4.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院科研處,黑龍江 哈爾濱 150081)
缺鐵性貧血(iron deficiency anemia,IDA)嚴(yán)重影響機(jī)體健康,可導(dǎo)致結(jié)腸組織中黏膜潰瘍、氧化應(yīng)激增加和炎性細(xì)胞浸潤[1],產(chǎn)生過多且具有強(qiáng)氧化活性的自由基,引起細(xì)胞膜、DNA分子堿基修飾等多種氧化損傷,從而導(dǎo)致潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)甚至更嚴(yán)重的結(jié)腸癌發(fā)生[2]。誘導(dǎo)UC疾病的臨床癥狀多表現(xiàn)為體質(zhì)量下降、腹瀉、便血等情況[3]。目前,對于炎癥性腸病的治療多采用氨基水楊酸等藥劑,但長期服用副作用較大[4]。一些天然產(chǎn)物具有極佳的抗氧化、抗炎效果,有研究表明,天然產(chǎn)物15,16-二氫丹參酮I可通過改善氧化應(yīng)激能力及抗炎活性等改善UC[5]。苦石蓮提取物具有一定的抗炎等生物活性[6]。綜上,天然產(chǎn)物可能是一種改善IDA誘導(dǎo)UC潛在的安全有效新藥物。
黑木耳是一種在我國分布極為廣泛且具有獨(dú)特營養(yǎng)價(jià)值與保健功能的食用菌[7],被證實(shí)具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化等作用[8-9],根據(jù)本課題組的前期研究,從黑木耳中提取的黑色素以吡咯環(huán)和吲哚環(huán)為骨架,骨架上連接著脂肪碳鏈和羰基,大量聚合后形成不規(guī)則的單體,且在207 nm波長處有強(qiáng)吸收峰,由元素組成結(jié)果可以得到黑木耳黑色素中真黑色素與棕黑色素的含量比為10.36∶1.00[10],與球狀蜣螂殼黑色素結(jié)構(gòu)[11]基本一致,說明天然黑色素結(jié)構(gòu)具有較高的相似性。黑色素作為黑木耳的主要天然產(chǎn)物之一,具有清除自由基、抗炎、抗氧化、抗病毒及增強(qiáng)免疫力等多種生物功效[12-14]。研究表明,墨魚黑色素可以改善機(jī)體炎癥浸潤、清除自由基并改善氧化應(yīng)激損傷,最終減緩UC的發(fā)生[15],本課題組前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,IDA可導(dǎo)致腸道損傷,而黑木耳黑色素可改善IDA小鼠的貧血癥狀,并修復(fù)腸道損傷[16-17],然而黑木耳黑色素對IDA誘導(dǎo)的小鼠UC保護(hù)作用機(jī)制尚不清楚。
許多天然產(chǎn)物具有抗氧化、抗炎和抗凋亡等特性[18],且可通過調(diào)控Toll樣受體4(Toll-like receptors 4,T L R 4)/核轉(zhuǎn)錄因子-κ B(n u c l e a r f a c t o rk a p p a B,N F-κ B)信號通路來抑制炎癥發(fā)生[19],但有關(guān)利用天然產(chǎn)物黑木耳黑色素治療UC的研究相對較少,因此,本研究通過IDA誘導(dǎo)UC小鼠模型,探究灌胃黑木耳黑色素對UC小鼠氧化應(yīng)激反應(yīng)及TLR4/NF-κB信號通路的調(diào)控作用,以期為黑木耳黑色素功能性產(chǎn)品的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
SPF級昆明種雄性小鼠,購自哈爾濱醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)部,生產(chǎn)許可證號:SCXK(黑)2019-001。
黑木耳購自東寧黑木耳產(chǎn)業(yè)基地(菌種保藏號:CCTCC-HDX)。
濃鹽酸 哈爾濱理工化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉天津市大陸化學(xué)試劑廠;氯仿、異丙醇 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;乙酸乙酯、無水乙醇 天津市富宇精細(xì)化工有限公司。以上試劑均為分析純。
總抗氧化能力(total antioxidant capacity,TAC)檢測試劑盒、丙二醛(malondialdehyde,MDA)檢測試劑盒、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)檢測試劑盒、羥自由基(·OH)檢測試劑盒、小鼠超氧陰離子自由基(O2-·)檢測試劑盒 南京建成生物工程研究所;TRIzol、反轉(zhuǎn)錄試劑盒、實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)試劑盒 江蘇康為世紀(jì)生物科技股份有限公司;糞便隱血定性檢測試劑盒 上海尚寶生物科技有限公司。
JE3002型電子分析天平 上海浦春計(jì)量儀器有限公司;BCM-1000A型生物潔凈工作臺 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;H2050R型臺式高速離心機(jī) 美國Thermo Sorvall公司;Elx800uv型酶標(biāo)儀 美國Gene公司;NanoDrop 2000超微量紫外分光光度計(jì) 美國Thermo Scientific公司;QuantStudioTH1型熒光定量PCR儀 哈爾濱覆霜科技有限公司。
1.3.1 黑木耳黑色素的制備
參考Zou Yu等[20]的實(shí)驗(yàn)方法,黑木耳粉碎后過80 目篩,取25 g黑木耳粉末于500 mL 3 mol/L鹽酸中,70 ℃下水浴攪拌浸提1.0~1.5 h后加入15.6 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至12,4 000 r/min離心10 min。上清液用12 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2,4 000 r/min離心20 min,沉淀即為黑色素粗品。粗品通過氯仿、乙酸乙酯和乙醇試劑依次洗滌兩次,去離子水洗滌5~7 次,所得固體冷凍干燥得到純化的黑色素[21],實(shí)驗(yàn)室前期采用原子吸收法測定黑木耳黑色素中鐵元素的含量為(2.03±0.49)mg/kg[17]。
1.3.2 低鐵飼料的配制
參照AIN-93G標(biāo)準(zhǔn)配方,委托北京科澳協(xié)力飼料有限公司加工低鐵飼料,成分如表1所示,加工配制的飼料由北京譜尼測試集團(tuán)采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma atomic emission spectrometer,ICP-AES)測得其含鐵量為4.98 mg/kg,符合低鐵飼料要求(<5 mg/kg),普通飼料含鐵量為116.12 mg/kg[22]。
表1 動(dòng)物低鐵飼料成分Table 1 Ingredients of low-iron diet
1.3.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物分組及模型建立
根據(jù)《保健食品檢驗(yàn)與評價(jià)技術(shù)規(guī)范實(shí)施手冊》中的具體操作方法[23],選取24 日齡昆明種雄性小鼠,隨機(jī)分為3 組,每組15 只,分別為空白對照組、模型組、黑木耳黑色素組。適應(yīng)性喂養(yǎng)1 周后開始實(shí)驗(yàn),空白對照組小鼠整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期始終飼喂正常飼料,自由飲用雙蒸水。模型組、黑木耳黑色素組小鼠飼喂低鐵飼料,自由飲用去離子水,造模時(shí)間為2 周。實(shí)驗(yàn)治療期,黑木耳黑色素組小鼠持續(xù)3 周進(jìn)行黑色素灌胃處理;模型組小鼠喂養(yǎng)方式與造模期間相同。為避免外源鐵污染,實(shí)驗(yàn)采用塑料籠體和非鐵質(zhì)籠蓋。自實(shí)驗(yàn)開始,每7 d稱一次體質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng):動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室所有的設(shè)施條件與管理任務(wù)均依照《中華人民共和國衛(wèi)生部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,溫度(20±2)℃、相對濕度45%~65%,自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行12 h的日夜光照更替。
1.3.4 全血血液指標(biāo)檢測
對小鼠眼球進(jìn)行采血,將40 μL血液加入至360 μL肝素鈉生理鹽水中,利用血細(xì)胞自動(dòng)分析儀檢測并記錄血紅蛋白(hemoglobin,Hb)、紅細(xì)胞(red blood cell,RBC)、白細(xì)胞(white blood cell,WBC)水平。
1.3.5 疾病活動(dòng)指數(shù)評分
記錄各組小鼠體質(zhì)量變化率,觀察大便性狀及大便隱血等情況,參照Murthy等[24]的評分系統(tǒng)進(jìn)行疾病活動(dòng)指數(shù)(disease activity index,DAI)評分,糞便性狀分為3 個(gè)等級:正常、松散和稀便。小鼠正常糞便成型,為顆粒狀;若糞便黏度增加且易散,但不黏附于肛門,則為松散;若糞便不成形或呈稀水樣,且黏附于肛門,則為稀便;利用糞便隱血定性檢測試劑盒檢測糞便隱血陽性,若糞便中加入試劑后出現(xiàn)藍(lán)色,則為隱血陽性;若糞便肉眼可見有紅褐色或鮮紅色血液,則為肉眼血便。具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。按公式(1)計(jì)算DAI評分。
表2 DAI評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Disease activity index (DAI) scoring criteria
1.3.6 器官指數(shù)測定
將小鼠處死后,對小鼠肝臟、脾臟、心臟進(jìn)行快速分離及稱質(zhì)量,按公式(2)計(jì)算器官指數(shù)[25]。
1.3.7 組織病理學(xué)分析
快速解剖小鼠后,將結(jié)腸組織經(jīng)甲醛固定,制備成石蠟塊,切片,經(jīng)蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染色后在顯微鏡下觀察結(jié)腸組織損傷變化。通過判斷炎性細(xì)胞浸潤、上皮損傷、隱窩丟失的程度對炎癥程度進(jìn)行鑒定[26]。參考朱磊等[27]的方法進(jìn)行組織病理學(xué)評分,具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表3 結(jié)腸組織病理學(xué)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Colonic histological evaluation criteria
1.3.8 氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物水平測定
分離小鼠結(jié)腸,保存在-80 ℃條件下,用相應(yīng)試劑盒測定TAC、MDA、SOD、·OH、O2-·的水平。
1.3.9 熒光定量PCR檢測炎癥因子及相關(guān)基因相對表達(dá)量
利用T R I z o l 試劑提取結(jié)腸組織總R N A。使用HiFiScript gDNA Removal cDNA Synthesis Kit合成cDNA。使用2×Realstar Green Fast Mixture with ROX II進(jìn)行熒光定量PCR。擴(kuò)增條件為:預(yù)變性溫度95 ℃,2 min;變性溫度95 ℃,15 s;退火溫度60 ℃,15 s;延伸溫度72 ℃,30 s,40 次循環(huán)。相對mRNA水平歸一化為內(nèi)源性控制基因β-Actin。采用比較閾值循環(huán)(Ct)法分析基因的相對表達(dá)量。本實(shí)驗(yàn)使用引物如表4所示。
表4 TLR4、NF-κB-p65、TNF-α、IL-10的mRNA引物序列及片段長度Table 4 mRNA primer sequences and fragment lengths of TLR4,NF-κB-p65, TNF-α, and IL-10
應(yīng)用Graphpad Prism 9軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并作圖。樣本平均值采用單因素方差分析(One-way ANOVA),兩兩比較采用最小顯著性差異法(least significant difference,LSD)檢驗(yàn)。P<0.05表明數(shù)據(jù)具有顯著性差異。
臨床貧血癥狀可通過血液中的Hb、RBC、WBC等水平來診斷[28]。如圖1A、B所示,與空白對照組相比,模型組小鼠Hb質(zhì)量濃度、RBC數(shù)均顯著降低(P<0.000 1,P<0.01),灌胃黑木耳黑色素3 周后,Hb質(zhì)量濃度、RBC數(shù)顯著提高(P<0.000 1,P<0.01),且與空白對照組無顯著差異(P>0.05),表明黑木耳黑色素具有改善機(jī)體貧血的功效。與空白對照組相比,模型組小鼠WBC數(shù)顯著下降(P<0.000 1),黑木耳黑色素干預(yù)組小鼠的WBC數(shù)顯著恢復(fù)(P<0.000 1)(圖1C),表明缺鐵引起的IDA小鼠可能存在攝入營養(yǎng)不均衡,導(dǎo)致WBC數(shù)偏低,說明免疫系統(tǒng)的能力降低,易引發(fā)結(jié)腸炎癥[29],研究表明,IDA小鼠常伴隨著腸道損傷[16],灌胃黑木耳黑色素后小鼠WBC數(shù)恢復(fù)正常,說明加入黑色素可有效提高IDA小鼠的免疫能力,緩解結(jié)腸炎癥。
圖1 黑木耳黑色素對IDA誘導(dǎo)的UC小鼠血液中Hb(A)、RBC(B)和WBC(C)水平的影響Fig.1 Effect of Auricularia auricula melanin on hemoglobin (A), red blood cell (B) and white blood cell (C) levels in blood of IDA-induced UC mice
在實(shí)驗(yàn)過程中,空白對照組小鼠行動(dòng)活躍、毛發(fā)光亮整潔;模型組小鼠出現(xiàn)了行動(dòng)緩慢、活動(dòng)力下降等現(xiàn)象,但給藥后小鼠在反應(yīng)、行動(dòng)等方面均有改善。由圖2A可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),與模型組相比,給藥后的小鼠體質(zhì)量顯著增加(P<0.001),且與空白對照組小鼠相比無顯著差異(P>0.05),結(jié)果表明,影響小鼠體質(zhì)量生長的因素可能與機(jī)體結(jié)腸損傷影響食物的消化吸收有關(guān)[30],黑木耳黑色素可使小鼠胃腸消化吸收功能逐漸恢復(fù),從而使結(jié)腸受損的模型小鼠體質(zhì)量恢復(fù)至正常水平。
圖2 黑木耳黑色素對IDA誘導(dǎo)的UC小鼠體質(zhì)量(A)及DAI評分(B)的影響Fig.2 Effect of Auricularia auricula melanin on body mass (A) and DAI score (B) in IDA-induced UC mice
DAI評分可用來評判結(jié)腸炎癥的損傷程度,DAI評分越高,說明疾病越嚴(yán)重[31],UC能引起小鼠體質(zhì)量增長緩慢、糞便特征異常及伴隨便血等癥狀[32]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),天然產(chǎn)物芍藥提取物可明顯降低結(jié)腸炎小鼠的DAI評分,并使糞便性狀得到改善[33],在本研究中,黑木耳黑色素也有相同的治療效果。由圖2B可知,模型組小鼠與空白對照組小鼠相比DAI評分顯著升高(P<0.000 1),黑木耳黑色素干預(yù)后DAI評分顯著降低,且與空白對照組小鼠相比無顯著差異(P>0.05),結(jié)果表明黑木耳黑色素可顯著恢復(fù)小鼠DAI評分,對由IDA誘導(dǎo)UC所表現(xiàn)的體質(zhì)量增長緩慢、糞便稀散、便血等癥狀具有極佳的改善效果。
脾臟是外周免疫器官,免疫細(xì)胞會在成熟的脾臟中定植并對抗原作出反應(yīng)。胸腺是中樞免疫器官,胸腺的主要功能是產(chǎn)生T淋巴細(xì)胞。因此,脾臟和胸腺指數(shù)可反映機(jī)體先天免疫功能的強(qiáng)弱[34-35]。如圖3 所示,與空白對照組相比,模型組小鼠胸腺指數(shù)顯著降低(P<0.000 1),脾臟指數(shù)顯著升高(P<0.000 1),經(jīng)黑木耳黑色素灌胃給藥后,各指數(shù)恢復(fù)至空白對照組水平(P>0.05),因此黑木耳黑色素對UC小鼠的免疫器官指數(shù)具有調(diào)節(jié)作用。
圖3 黑木耳黑色素對IDA誘導(dǎo)的UC小鼠胸腺指數(shù)(A)及脾臟指數(shù)(B)的影響Fig.3 Effect of Auricularia auricula melanin on thymus index (A) and spleen index (B) of IDA-induced UC mice
如圖4所示,空白對照組小鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞排列緊密有序,有大量結(jié)構(gòu)良好的隱窩和絨毛,隱窩和絨毛長而清晰,無潰瘍及炎癥細(xì)胞的浸潤。而模型組小鼠腸道組織結(jié)構(gòu)受損,隱窩結(jié)構(gòu)和杯狀細(xì)胞扭曲,結(jié)腸黏膜潰爛,上黏膜及屏障變形,黏膜下層炎癥細(xì)胞嚴(yán)重浸潤。有研究表明,UC對小鼠結(jié)腸組織造成嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致結(jié)腸充血、健康組織受到損傷、大量上皮細(xì)胞凋亡[36],本實(shí)驗(yàn)中模型組小鼠的結(jié)腸組織病理學(xué)分析與此情況較為一致,與空白對照組相比,病理學(xué)評分顯著升高(P<0.000 1),黑木耳黑色素給藥治療后可顯著改善腸道組織損傷情況,隱窩結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)正常,使腸黏膜潰瘍和隱窩破壞程度均有所減輕,炎癥細(xì)胞浸潤基本消失,病理學(xué)評分明顯下降,與空白對照組無顯著性差異(P>0.05),表明黑木耳黑色素在維持結(jié)腸結(jié)構(gòu)完整及改善炎癥等方面有著極佳的效果,同時(shí)有相關(guān)研究報(bào)道,天然產(chǎn)物蒲公英的提取物可修復(fù)潰瘍性結(jié)腸損傷[37],與本研究中的黑木耳黑色素效果相似,提示黑木耳黑色素有助于IDA誘導(dǎo)UC小鼠腸道恢復(fù)正常。
圖4 小鼠結(jié)腸組織病理學(xué)HE染色及組織病理學(xué)評分Fig.4 Hematoxylin-eosin staining and histopathological scores of colon tissues in mice
氧化應(yīng)激與氧化細(xì)胞損傷是結(jié)腸炎的主要標(biāo)志之一[38],其中TAC與SOD活力是反映抗氧化能力的重要指標(biāo)[39];MDA含量及·OH、O2-·水平可反映氧化應(yīng)激損傷程度[40-41]。如圖5所示,與空白對照組相比,模型組小鼠結(jié)腸組織中TAC與SOD活力顯著下降(P<0.000 1),MDA、·OH、O2-·水平顯著上升(P<0.000 1、P<0.01),而黑木耳黑色素組與空白對照組相比無顯著差異(P>0.05)。說明黑木耳黑色素能調(diào)節(jié)IDA誘導(dǎo)的UC小鼠體內(nèi)氧化應(yīng)激水平,與前人對其他天然產(chǎn)物研究的結(jié)果[42-45]一致,說明黑木耳黑色素能有效恢復(fù)IDA誘導(dǎo)的UC小鼠總抗氧化能力及結(jié)腸中SOD抗氧化酶活性,并能有效改善疾病小鼠脂質(zhì)過氧化損傷,同時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)腸中氧自由基的異常表達(dá)。
圖5 黑木耳黑色素對IDA誘導(dǎo)的UC小鼠結(jié)腸中TAC(A)、SOD活力(B)、MDA含量(C)及·OH(D)、O2-·(E)水平的影響Fig.5 Effect of Auricularia auricula melanin on the levels of TAC (A),SOD (B), MDA (C), ·OH (D), and O2-· (E) in colon tissues of IDA-induced UC mice
T L R 4/N F-κB是導(dǎo)致腸道免疫炎癥反應(yīng)的重要細(xì)胞間信號通路[46],越來越多的研究顯示,TLR4/NF-κB介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在炎癥性疾病發(fā)生發(fā)展中具有重要作用,可通過激活NF-κB與TLR4結(jié)合產(chǎn)生大量TNF-α及其他炎癥因子[47]。炎癥因子水平是評估炎癥性疾病的重點(diǎn)指標(biāo)之一[48],促炎細(xì)胞因子TNF-α的過表達(dá)在一定程度上會加重腸道損傷,導(dǎo)致腸道炎癥發(fā)生[49]??寡滓蜃覫L-10在維持腸道黏膜免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用,可以拮抗炎癥因子的產(chǎn)生,并保持腸黏膜屏障完整,進(jìn)而減輕炎癥性腸病的進(jìn)展。增強(qiáng)IL-10在體內(nèi)的表達(dá)或者補(bǔ)充IL-10均可以預(yù)防腸炎發(fā)生[50]。如圖6所示,與空白對照組相比,模型組小鼠結(jié)腸組織中TLR4、NF-κB-p65mRNA表達(dá)量顯著上升(P<0.001、P<0.000 1),黑木耳黑色素干預(yù)后表達(dá)量均下降至與空白對照組無顯著性差異(P>0.05)。相應(yīng)地,給藥治療后促炎因子TNF-αmRNA表達(dá)水平顯著降低(P<0.01),抗炎因子IL-10 mRNA表達(dá)量顯著增加(P<0.05),表明黑木耳黑色素通過調(diào)控TLR4/NF-κB信號通路,有效逆轉(zhuǎn)炎癥細(xì)胞因子異常表達(dá),從而緩解IDA誘導(dǎo)的UC小鼠炎癥反應(yīng),恢復(fù)防御功能。該結(jié)果與鐘繼紅等[51]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。
圖6 黑木耳黑色對信號通路中相關(guān)基因TLR4(A)、NF-κB-p65(B)、TNF-α(C)、IL-10(D)表達(dá)水平的影響Fig.6 Effect of A. auricula melanin on the expression levels of TLR4 (A),NF-κB-p65 (B), TNF-α (C) and IL-10 (D)
黑木耳黑色素在UC小鼠腸道中表現(xiàn)出顯著的抗氧化、抗炎功能。黑木耳黑色素可通過增強(qiáng)機(jī)體抗氧化酶活力、降低氧化應(yīng)激損傷、調(diào)控TLR4/NF-κB信號通路中相關(guān)基因表達(dá),保護(hù)腸黏膜,從而減輕結(jié)腸炎癥的病理程度。以上結(jié)果表明,從天然物質(zhì)中提取黑色素可以作為治療UC功能食品或營養(yǎng)藥品的有效成分,本研究可為其藥物開發(fā)提供理論參考。